Paläontologie - Paleontology

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Ein Paläontologe bei der Arbeit am John Day Fossil Beds National Monument

Paläontologie , auch Dinkel Paläontologie oder Paläontologie ( / ˌ p l i ɒ n t ɒ l ə i , ˌ p æ l i -, - ən - / ), ist die wissenschaftliche Erforschung des Lebens , die vor existierte, und manchmal einschließlich des Beginns der Holozän- Epoche (ungefähr 11.700 Jahre vor der Gegenwart ). Es umfasst die Untersuchung von Fossilien zur Klassifizierung von Organismen und zur Untersuchung der Wechselwirkungen untereinander und ihrer Umgebung (ihre Paläoökologie ). Paläontologische Beobachtungen wurden bereits im 5. Jahrhundert v. Chr. Dokumentiert. Die Wissenschaft etablierte sich im 18. Jahrhundert als Ergebnis von Georges Cuviers Arbeiten zur vergleichenden Anatomie und entwickelte sich im 19. Jahrhundert rasant. Der Begriff selbst stammt aus dem Griechischen παλαιός, palaios , "alt, alt", ὄν, on ( gen. Ontos ), "Sein, Geschöpf" und λόγος, Logos , "Sprache, Denken, Studium".

Die Paläontologie liegt an der Grenze zwischen Biologie und Geologie , unterscheidet sich jedoch von der Archäologie darin, dass sie das Studium anatomisch moderner Menschen ausschließt . Es verwendet jetzt Techniken aus einer Vielzahl von Wissenschaften, einschließlich Biochemie , Mathematik und Ingenieurwissenschaften . Die Verwendung all dieser Techniken hat es Paläontologen ermöglicht, einen Großteil der Evolutionsgeschichte des Lebens zu entdecken , fast bis zu dem Zeitpunkt, als die Erde vor etwa 3,8 Milliarden Jahren in der Lage war, das Leben zu unterstützen . Mit zunehmendem Wissen hat die Paläontologie spezielle Unterabteilungen entwickelt, von denen sich einige auf verschiedene Arten fossiler Organismen konzentrieren, während andere sich mit Ökologie und Umweltgeschichte wie dem antiken Klima befassen .

Körperfossilien und Spurenfossilien sind die Hauptbeweise für das antike Leben, und geochemische Beweise haben dazu beigetragen, die Entwicklung des Lebens zu entschlüsseln, bevor es Organismen gab, die groß genug waren, um Körperfossilien zu hinterlassen. Die Schätzung der Daten dieser Überreste ist wichtig, aber schwierig: Manchmal ermöglichen benachbarte Gesteinsschichten eine radiometrische Datierung , die absolute Daten liefert , die auf 0,5% genau sind. Paläontologen müssen sich jedoch häufiger auf die relative Datierung verlassen, indem sie die " Puzzles " der Biostratigraphie lösen (Anordnung der Gesteinsschichten vom jüngsten zum ältesten). Die Klassifizierung antiker Organismen ist ebenfalls schwierig, da viele nicht gut in die linnäische Taxonomie passen, in der lebende Organismen klassifiziert werden, und Paläontologen häufiger Kladistiken verwenden , um evolutionäre "Stammbäume" zu erstellen. Im letzten Viertel des 20. Jahrhunderts entwickelte sich die molekulare Phylogenetik , die untersucht, wie eng Organismen miteinander verwandt sind, indem die Ähnlichkeit der DNA in ihren Genomen gemessen wird . Die molekulare Phylogenetik wurde auch verwendet, um die Daten zu schätzen, an denen Arten divergierten. Es gibt jedoch Kontroversen über die Zuverlässigkeit der molekularen Uhr, von der solche Schätzungen abhängen.

Überblick

Die einfachste Definition von "Paläontologie" ist "das Studium des alten Lebens". Das Feld sucht nach Informationen über verschiedene Aspekte vergangener Organismen: "ihre Identität und Herkunft, ihre Umwelt und Entwicklung und was sie uns über die organische und anorganische Vergangenheit der Erde erzählen können".

Geschichtswissenschaft

Die Herstellung der versteinerten Knochen von Europasaurus holgeri

William Whewell (1794–1866) stufte die Paläontologie neben Archäologie , Geologie , Astronomie , Kosmologie , Philologie und Geschichte selbst als eine der historischen Wissenschaften ein : Die Paläontologie zielt darauf ab, Phänomene der Vergangenheit zu beschreiben und ihre Ursachen zu rekonstruieren. Daher hat es drei Hauptelemente: Beschreibung vergangener Phänomene; Entwicklung einer allgemeinen Theorie über die Ursachen verschiedener Arten von Veränderungen; und Anwendung dieser Theorien auf bestimmte Fakten. Bei dem Versuch, die Vergangenheit zu erklären, konstruieren Paläontologen und andere Geschichtswissenschaftler häufig eine oder mehrere Hypothesen über die Ursachen und suchen dann nach einer " rauchenden Waffe ", einem Beweisstück, das einer Hypothese über alle anderen stark entspricht. Manchmal entdecken Forscher bei anderen Forschungen durch einen glücklichen Unfall eine "rauchende Waffe". Zum Beispiel ist die 1980 Entdeckung von Luis und Walter Alvarez von Iridium , ein hauptsächlich außerirdischen Metall, in der Kreide - Tertiär Grenzschicht aus Asteroidenimpakt der beliebteste Erklärung für die Kreide-Paläogen-Grenze - obwohl Debatte über den Beitrag des Vulkanismus weiter.

Ein komplementärer Ansatz zur Entwicklung wissenschaftlicher Erkenntnisse, der experimentellen Wissenschaft , soll oft funktionieren, indem Experimente durchgeführt werden , um Hypothesen über die Funktionsweise und Ursachen natürlicher Phänomene zu widerlegen . Dieser Ansatz kann keine Hypothese beweisen, da einige spätere Experimente sie möglicherweise widerlegen, aber die Anhäufung von Misserfolgen bei der Widerlegung ist oft ein überzeugender Beweis dafür. Wenn experimentelle Wissenschaftler jedoch mit völlig unerwarteten Phänomenen konfrontiert werden, wie zum Beispiel dem ersten Beweis für unsichtbare Strahlung , verwenden sie häufig den gleichen Ansatz wie historische Wissenschaftler: Erstellen Sie eine Reihe von Hypothesen über die Ursachen und suchen Sie dann nach einer "rauchenden Waffe".

Verwandte Wissenschaften

Die Paläontologie liegt zwischen Biologie und Geologie, da sie sich auf die Aufzeichnung vergangener Leben konzentriert, aber ihre Hauptbeweisquelle sind Fossilien in Gesteinen. Aus historischen Gründen ist die Paläontologie an vielen Universitäten Teil der geologischen Abteilung: Im 19. und frühen 20. Jahrhundert fanden die geologischen Abteilungen fossile Beweise wichtig für die Datierung von Gesteinen, während die biologischen Abteilungen wenig Interesse zeigten.

Die Paläontologie hat auch einige Überschneidungen mit der Archäologie , die hauptsächlich mit Objekten arbeitet, die von Menschen hergestellt wurden, und mit menschlichen Überresten, während Paläontologen an den Eigenschaften und der Entwicklung des Menschen als Spezies interessiert sind. Beim Umgang mit Beweisen über Menschen können Archäologen und Paläontologen zusammenarbeiten - beispielsweise können Paläontologen Tier- oder Pflanzenfossilien in der Umgebung einer archäologischen Stätte identifizieren , um herauszufinden, was die dort lebenden Menschen gegessen haben. oder sie könnten das Klima zum Zeitpunkt der Besiedlung analysieren.

Darüber hinaus leiht sich die Paläontologie häufig Techniken aus anderen Wissenschaften aus, darunter Biologie, Osteologie , Ökologie , Chemie , Physik und Mathematik . Zum Beispiel geochemische können Signaturen von Felsen helfen zu entdecken , wenn Leben auf der Erde entsteht, und Analysen der Kohlenstoff - Isotopenverhältnisse helfen können Klimaänderungen zu identifizieren und auch größere Übergänge wie das zu erklären , Perm-Trias-Grenze . Eine relativ junge Disziplin, die molekulare Phylogenetik , vergleicht die DNA und RNA moderner Organismen, um die "Stammbäume" ihrer evolutionären Vorfahren zu rekonstruieren. Es wurde auch verwendet, um die Daten wichtiger evolutionärer Entwicklungen abzuschätzen, obwohl dieser Ansatz aufgrund von Zweifeln an der Zuverlässigkeit der " molekularen Uhr " umstritten ist . Techniken aus Technik verwendet wurden , zu analysieren , wie die Körper der alten Organismen könnten gearbeitet haben, zum Beispiel die Laufgeschwindigkeit und Bissfestigkeit von Tyrannosaurus , oder die Flugmechanik von Microraptor . Es ist relativ üblich, die internen Details von Fossilien mithilfe der Röntgenmikrotomographie zu untersuchen . Paläontologie, Biologie, Archäologie und Paläoneurobiologie untersuchen zusammen endokraniale Abgüsse (Endokasten) von Arten, die mit Menschen verwandt sind, um die Entwicklung des menschlichen Gehirns zu klären.

Die Paläontologie trägt sogar zur Astrobiologie bei , zur Untersuchung des möglichen Lebens auf anderen Planeten , indem sie Modelle entwickelt, wie das Leben entstanden sein könnte, und Techniken zur Erkennung von Lebensnachweisen bereitstellt.

Unterteilungen

Mit zunehmendem Wissen hat die Paläontologie spezielle Unterteilungen entwickelt. Die Paläontologie der Wirbeltiere konzentriert sich auf Fossilien vom frühesten Fisch bis zu den unmittelbaren Vorfahren moderner Säugetiere . Invertebrate Paläontologie beschäftigt sich mit Fossilien wie Muscheln , Arthropoden , Anneliden Würmer und Stachelhäuter . Paläobotanik untersucht fossile Pflanzen , Algen und Pilze . Die Palynologie , die Untersuchung von Pollen und Sporen, die von Landpflanzen und Protisten produziert werden , erstreckt sich über Paläontologie und Botanik , da sie sich sowohl mit lebenden als auch mit fossilen Organismen befasst. Die Mikropaläontologie befasst sich mit mikroskopisch kleinen fossilen Organismen aller Art.

Analysen mit technischen Techniken zeigen, dass Tyrannosaurus einen verheerenden Biss hatte, aber Zweifel an seiner Lauffähigkeit aufkommen lässt.

Anstatt sich auf einzelne Organismen zu konzentrieren, untersucht die Paläoökologie die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen alten Organismen wie ihren Nahrungsketten und die wechselseitigen Wechselwirkungen mit ihrer Umwelt. Beispielsweise verursachte die Entwicklung der sauerstoffhaltigen Photosynthese durch Bakterien die Sauerstoffanreicherung der Atmosphäre und erhöhte die Produktivität und Vielfalt der Ökosysteme erheblich . Zusammen führten diese zur Entwicklung komplexer eukaryotischer Zellen, aus denen alle mehrzelligen Organismen aufgebaut sind.

Die Paläoklimatologie , obwohl manchmal als Teil der Paläoökologie behandelt, konzentriert sich mehr auf die Geschichte des Erdklimas und die Mechanismen, die es verändert haben - zu denen manchmal auch evolutionäre Entwicklungen gehörten, zum Beispiel die rasche Expansion von Landpflanzen in der Devon- Zeit, aus der mehr Kohlendioxid entfernt wurde die Atmosphäre, wodurch der Treibhauseffekt verringert wird und somit eine Eiszeit in der Karbonperiode verursacht wird.

Die Biostratigraphie , die Verwendung von Fossilien zur Ermittlung der chronologischen Reihenfolge, in der Gesteine ​​gebildet wurden, ist sowohl für Paläontologen als auch für Geologen nützlich. Die Biogeographie untersucht die räumliche Verteilung von Organismen und ist auch mit der Geologie verbunden, was erklärt, wie sich die Geographie der Erde im Laufe der Zeit verändert hat.

Beweisquellen

Körperfossilien

Dieses Marrella- Exemplar zeigt, wie klar und detailliert die Fossilien aus der
Lagerstätte Burgess Shale sind.

Fossilien von Organismenkörpern sind normalerweise die informativsten Beweise. Die häufigsten Arten sind Holz, Knochen und Muscheln. Fossilisierung ist ein seltenes Ereignis, und die meisten Fossilien werden durch Erosion oder Metamorphose zerstört, bevor sie beobachtet werden können. Daher ist der Fossilienbestand sehr unvollständig, immer weiter zurück in der Zeit. Trotzdem ist es oft ausreichend, die breiteren Muster der Lebensgeschichte zu veranschaulichen. Es gibt auch Vorurteile im Fossilienbestand: Verschiedene Umgebungen sind günstiger für die Erhaltung verschiedener Arten von Organismen oder Teilen von Organismen. Außerdem bleiben normalerweise nur die Teile von Organismen erhalten, die bereits mineralisiert waren , wie beispielsweise die Muschelschalen. Da die meisten Tierarten einen weichen Körper haben, verfallen sie, bevor sie versteinert werden können. Obwohl mehr als 30 Phyla lebender Tiere vorhanden sind, wurden zwei Drittel nie als Fossilien gefunden.

In ungewöhnlichen Umgebungen können gelegentlich Weichteile erhalten bleiben. Mit diesen Lagerstätten können Paläontologen die innere Anatomie von Tieren untersuchen, die in anderen Sedimenten nur durch Muscheln, Stacheln, Krallen usw. dargestellt werden - sofern sie überhaupt erhalten sind. Selbst Lagerstätten zeigen jedoch ein unvollständiges Bild des damaligen Lebens. Die Mehrheit der zu dieser Zeit lebenden Organismen ist wahrscheinlich nicht vertreten, da Lagerstätten auf einen engen Bereich von Umgebungen beschränkt sind, z. B. in denen Organismen mit weichem Körper durch Ereignisse wie Schlammlawinen sehr schnell erhalten werden können; und die außergewöhnlichen Ereignisse, die eine schnelle Bestattung verursachen, machen es schwierig, die normale Umgebung der Tiere zu untersuchen. Aufgrund der geringen Dichte des Fossilienbestands wird erwartet, dass Organismen lange vor und nach dem Auffinden im Fossilienbestand existieren - dies wird als Signor-Lipps-Effekt bezeichnet .

Spurenfossilien

Kambrische Spurenfossilien, einschließlich Rusophycus , hergestellt von einem Trilobiten .
Climactichnites --- Kambrische Bahnen (10-12 cm breit) von großen, schneckenartigen Tieren auf einer kambrischen Gezeitenebene im heutigen Wisconsin .

Spurenfossilien bestehen hauptsächlich aus Spuren und Höhlen, aber auch aus Koprolithen (fossilen Fäkalien ) und Spuren, die durch die Fütterung entstanden sind. Spurenfossilien sind besonders wichtig, da sie eine Datenquelle darstellen, die nicht auf Tiere mit leicht versteinerten harten Teilen beschränkt ist, und das Verhalten von Organismen widerspiegeln. Auch viele Spuren stammen deutlich früher als die Körperfossilien von Tieren, von denen angenommen wird, dass sie in der Lage waren, sie herzustellen. Während eine genaue Zuordnung von Spurenfossilien zu ihren Herstellern im Allgemeinen unmöglich ist, können Spuren beispielsweise den frühesten physischen Beweis für das Auftreten mäßig komplexer Tiere liefern (vergleichbar mit Regenwürmern ).

Geochemische Beobachtungen

Geochemische Beobachtungen können dazu beitragen, das globale Niveau der biologischen Aktivität zu einem bestimmten Zeitpunkt oder die Affinität bestimmter Fossilien abzuleiten. Zum Beispiel können geochemische Merkmale von Gesteinen Aufschluss darüber geben, wann das Leben zum ersten Mal auf der Erde entstanden ist, und sie können Hinweise auf das Vorhandensein eukaryotischer Zellen liefern, aus denen alle mehrzelligen Organismen aufgebaut sind. Analysen von Kohlenstoff - Isotopenverhältnisse können dazu beitragen , wichtige Übergänge wie das erklären , Perm-Trias-Grenze .

Klassifizierung alter Organismen

Niveaus in der linnäischen Taxonomie .

Es ist wichtig, Gruppen von Organismen klar und weitgehend zu benennen, da einige Streitigkeiten in der Paläontologie nur auf Missverständnissen über Namen beruhen. Die linnäische Taxonomie wird häufig zur Klassifizierung lebender Organismen verwendet, stößt jedoch beim Umgang mit neu entdeckten Organismen, die sich erheblich von bekannten unterscheiden, auf Schwierigkeiten. Zum Beispiel: ist es schwer zu entscheiden , welche Ebene eine neue übergeordnete Gruppierung zu stellen, zB Gattung oder Familie oder Ordnung ; Dies ist wichtig, da die linnäischen Regeln für die Benennung von Gruppen an ihre Ebenen gebunden sind. Wenn eine Gruppe auf eine andere Ebene verschoben wird, muss sie umbenannt werden.

Tetrapoden

Amphibien

Amnioten
Synapsiden

Ausgestorbene Synapsen

   

Säugetiere

Reptilien

Ausgestorbene Reptilien

Eidechsen und Schlangen

Archosaurier

Ausgestorbene
Archosaurier

Krokodile

Ausgestorbene
Dinosaurier


  ?  

Vögel

Einfaches Beispiel Cladogramm
    Warmblut entwickelte sich irgendwo im
Übergang von Synapsid zu Säugetier. ? An einem dieser Punkte muss sich auch Warmblut entwickelt haben - ein Beispiel für konvergente Evolution .
  

Paläontologen verwenden im Allgemeinen Ansätze, die auf Kladistik basieren , einer Technik zur Erarbeitung des evolutionären "Stammbaums" einer Reihe von Organismen. Es funktioniert nach der Logik, dass, wenn die Gruppen B und C mehr Ähnlichkeiten zueinander haben als die Gruppen A, B und C enger miteinander verwandt sind als beide A. Die verglichenen Zeichen können anatomisch sein . wie das Vorhandensein eines Notochords oder eines Moleküls durch Vergleichen von Sequenzen von DNA oder Proteinen . Das Ergebnis einer erfolgreichen Analyse ist eine Hierarchie von Klassen - Gruppen, die einen gemeinsamen Vorfahren haben. Idealerweise hat der "Stammbaum" nur zwei Zweige, die von jedem Knoten führen ("Kreuzung"), aber manchmal gibt es zu wenig Informationen, um dies zu erreichen, und Paläontologen müssen sich mit Kreuzungen begnügen, die mehrere Zweige haben. Die kladistische Technik ist manchmal fehlbar, da einige Merkmale wie Flügel oder Kameraaugen mehr als einmal konvergierend entwickelt wurden  - dies muss bei Analysen berücksichtigt werden.

Die evolutionäre Entwicklungsbiologie , allgemein als "Evo Devo" abgekürzt, hilft Paläontologen auch dabei, "Stammbäume" zu produzieren und Fossilien zu verstehen. Zum Beispiel legt die embryologische Entwicklung einiger moderner Brachiopoden nahe, dass Brachiopoden Nachkommen der Chalkieriiden sein könnten , die im Kambrium ausgestorben sind .

Schätzung der Daten von Organismen

Die Paläontologie versucht herauszufinden, wie sich Lebewesen im Laufe der Zeit verändert haben. Eine wesentliche Hürde für dieses Ziel ist die Schwierigkeit, herauszufinden, wie alt Fossilien sind. Betten, in denen Fossilien aufbewahrt werden, fehlen normalerweise die radioaktiven Elemente, die für die radiometrische Datierung benötigt werden . Diese Technik ist unser einziges Mittel, um Gesteinen, die älter als 50 Millionen Jahre sind, ein absolutes Alter zu geben, und kann auf 0,5% oder besser genau sein. Obwohl die radiometrische Datierung sehr sorgfältige Laborarbeit erfordert, ist ihr Grundprinzip einfach: Die Geschwindigkeit, mit der verschiedene radioaktive Elemente zerfallen, ist bekannt, und das Verhältnis des radioaktiven Elements zu dem Element, in das es zerfällt, zeigt, wie lange es her ist, dass das radioaktive Element eingebaut wurde in den Felsen. Radioaktive Elemente kommen nur in Gesteinen vulkanischen Ursprungs vor. Daher sind die einzigen fossilhaltigen Gesteine, die radiometrisch datiert werden können, einige wenige Vulkanascheschichten.

Folglich müssen sich Paläontologen normalerweise auf Stratigraphie verlassen , um Fossilien zu datieren. Stratigraphie ist die Wissenschaft der Entschlüsselung des "Schichtkuchens", der die Sedimentaufzeichnung darstellt , und wurde mit einem Puzzle verglichen . Felsen bilden normalerweise relativ horizontale Schichten, wobei jede Schicht jünger ist als die darunter liegende. Wenn ein Fossil zwischen zwei Schichten gefunden wird, deren Alter bekannt ist, muss das Alter des Fossils zwischen den beiden bekannten Zeitaltern liegen. Da Gesteinssequenzen nicht kontinuierlich sind, sondern durch Verwerfungen oder Erosionsperioden unterbrochen werden können , ist es sehr schwierig, Gesteinsschichten zu finden, die nicht direkt nebeneinander liegen. Fossilien von Arten, die relativ kurze Zeit überlebt haben, können jedoch verwendet werden, um isolierte Gesteine ​​zu verbinden: Diese Technik wird als Biostratigraphie bezeichnet . Zum Beispiel hat der Conodont Eoplacognathus pseudoplanus in der Zeit des mittleren Ordoviziers eine kurze Reichweite. Wenn bei Gesteinen unbekannten Alters Spuren von E. pseudoplanus festgestellt werden , müssen sie ein mittelordovizisches Alter aufweisen. Solche Indexfossilien müssen unterscheidbar sein, global verteilt sein und eine kurze Zeitspanne haben, um nützlich zu sein. Irreführende Ergebnisse werden jedoch erzielt, wenn sich herausstellt, dass die Indexfossilien längere Fossilienbereiche aufweisen als zunächst angenommen. Stratigraphie und Biostratigraphie können im Allgemeinen nur eine relative Datierung liefern ( A war vor B ), was häufig ausreicht, um die Evolution zu untersuchen. Dies ist jedoch für einige Zeiträume schwierig, da es Probleme gibt, gleichaltrige Gesteine ​​auf verschiedenen Kontinenten zusammenzubringen .

Stammbaum-Beziehungen können auch dazu beitragen, das Datum des ersten Auftretens von Abstammungslinien einzugrenzen. Wenn beispielsweise Fossilien von B oder C vor X Millionen Jahren datiert sind und der berechnete "Stammbaum" besagt, dass A ein Vorfahr von B und C war, muss sich A vor mehr als X Millionen Jahren entwickelt haben.

Es ist auch möglich abzuschätzen, wie lange es her ist, dass zwei lebende Kladen auseinander gegangen sind - dh wie lange es her ist, dass ihr letzter gemeinsamer Vorfahr gelebt hat -, indem angenommen wird, dass sich DNA- Mutationen mit konstanter Geschwindigkeit ansammeln. Diese " molekularen Uhren " sind jedoch fehlbar und liefern nur einen sehr ungefähren Zeitpunkt: Zum Beispiel sind sie nicht genau genug und zuverlässig, um abzuschätzen, wann sich die Gruppen, die in der kambrischen Explosion auftreten, zum ersten Mal entwickelt haben, und Schätzungen, die mit verschiedenen Techniken erstellt wurden variieren um den Faktor zwei.

Geschichte des Lebens

Diese faltige "Elefantenhaut" -Textur ist ein Spurenfossil einer
mikrobiellen Matte ohne Stromatolith . Das Bild zeigt die Lage, in den Burgsvik Betten von Schweden , wo die Textur wurde zum ersten Mal als Beweis für eine mikrobielle Matte identifiziert.

Die Erde hat sich vor ungefähr 4.570  Millionen Jahren gebildet und nach einer Kollision, die den Mond ungefähr 40 Millionen Jahre später bildete, möglicherweise schnell genug abgekühlt, um vor ungefähr 4.440  Millionen Jahren Ozeane und eine Atmosphäre zu haben . Auf dem Mond gibt es Hinweise auf ein spätes schweres Bombardement durch Asteroiden vor 4.000 bis 3.800 Millionen Jahren . Wenn, wie es wahrscheinlich erscheint, ein solches Bombardement gleichzeitig die Erde traf, könnten die erste Atmosphäre und die ersten Ozeane entfernt worden sein.

Die Paläontologie führt die Evolutionsgeschichte des Lebens bis vor über 3.000  Millionen Jahren zurück , möglicherweise bis vor 3.800  Millionen Jahren . Der älteste eindeutige Beweis für das Leben auf der Erde stammt aus der Zeit vor 3.000  Millionen Jahren , obwohl häufig umstrittene Berichte über fossile Bakterien vor 3.400  Millionen Jahren und über geochemische Beweise für das Vorhandensein von Leben vor 3.800  Millionen Jahren vorliegen . Einige Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass das Leben auf der Erde von anderswo "ausgesät" wurde , aber die meisten Forschungen konzentrieren sich auf verschiedene Erklärungen, wie das Leben unabhängig auf der Erde entstanden sein könnte.

Für etwa 2.000 Millionen Jahre waren mikrobielle Matten , mehrschichtige Kolonien verschiedener Bakterien, das dominierende Leben auf der Erde. Die Entwicklung der sauerstoffhaltigen Photosynthese ermöglichte es ihnen, vor etwa 2.400  Millionen Jahren die Hauptrolle bei der Sauerstoffanreicherung der Atmosphäre zu spielen . Diese Veränderung der Atmosphäre erhöhte ihre Wirksamkeit als Kindergärten der Evolution. Während Eukaryoten , Zellen mit komplexen inneren Strukturen, möglicherweise früher vorhanden waren, beschleunigte sich ihre Entwicklung, als sie die Fähigkeit erlangten, Sauerstoff von einem Gift in eine starke Quelle metabolischer Energie umzuwandeln . Diese Innovation könnte von primitiven Eukaryoten stammen, die sauerstoffbetriebene Bakterien als Endosymbionten einfangen und in Organellen namens Mitochondrien umwandeln . Die frühesten Hinweise auf komplexe Eukaryoten mit Organellen (wie Mitochondrien) stammen aus der Zeit vor 1.850  Millionen Jahren .

Opabinia weckte das moderne Interesse an der kambrischen Explosion .

Das mehrzellige Leben besteht nur aus eukaryotischen Zellen, und der früheste Beweis dafür sind die Francevillian Group Fossils von vor 2.100  Millionen Jahren , obwohl die Spezialisierung von Zellen für verschiedene Funktionen erstmals vor 1.430  Millionen Jahren (ein möglicher Pilz ) und vor 1.200  Millionen Jahren auftrat (eine wahrscheinliche rote Alge ). Die sexuelle Fortpflanzung kann eine Voraussetzung für die Spezialisierung von Zellen sein, da ein asexueller mehrzelliger Organismus möglicherweise von Schurkenzellen übernommen wird, die die Fortpflanzungsfähigkeit behalten.

Die frühesten bekannten Tiere sind Nesseltiere aus der Zeit vor etwa 580  Millionen Jahren , aber diese sehen so modern aus, dass sie Nachkommen früherer Tiere sein müssen. Frühe Fossilien von Tieren sind selten, da sie erst vor etwa 548  Millionen Jahren mineralisierte , leicht versteinerte harte Teile entwickelt hatten . Die frühesten modern aussehenden bilateralen Tiere erscheinen im frühen Kambrium , zusammen mit mehreren "seltsamen Wundern", die kaum offensichtliche Ähnlichkeit mit modernen Tieren haben. Es gibt eine lang anhaltende Debatte darüber, ob diese kambrische Explosion wirklich eine sehr schnelle Phase evolutionärer Experimente war. Alternative Ansichten sind, dass sich modern aussehende Tiere früher zu entwickeln begannen, aber Fossilien ihrer Vorläufer noch nicht gefunden wurden, oder dass die "seltsamen Wunder" evolutionäre "Tanten" und "Cousins" moderner Gruppen sind. Wirbeltiere blieben eine kleine Gruppe, bis der erste Kieferfisch im späten Ordovizier auftauchte .

Mit etwa 13 Zentimetern war das Yanoconodon aus der frühen Kreidezeit länger als das durchschnittliche Säugetier der Zeit.

Die Ausbreitung von Tieren und Pflanzen vom Wasser auf das Land erforderte Organismen, um verschiedene Probleme zu lösen, einschließlich des Schutzes vor Austrocknung und der Unterstützung gegen die Schwerkraft . Die frühesten Hinweise auf Landpflanzen und wirbellose Landtiere stammen aus der Zeit vor etwa 476  Millionen Jahren bzw. vor 490  Millionen Jahren . Es wurde gezeigt, dass diese Wirbellosen, wie durch ihre Spuren und Körperfossilien angezeigt, Arthropoden sind, die als Euthycarcinoide bekannt sind . Die Linie, die Landwirbeltiere hervorbrachte, entwickelte sich später, aber sehr schnell zwischen 370  Millionen Jahren und 360  Millionen Jahren ; Jüngste Entdeckungen haben frühere Vorstellungen über die Geschichte und die treibenden Kräfte hinter ihrer Entwicklung auf den Kopf gestellt. Landpflanzen waren so erfolgreich, dass ihr Detritus im späten Devon eine ökologische Krise verursachte , bis Pilze entstanden, die totes Holz verdauen konnten.

Vögel sind die einzigen überlebenden Dinosaurier .

Während der Perm- Zeit haben Synapsiden , einschließlich der Vorfahren von Säugetieren , möglicherweise die Landumgebung dominiert. Dies endete jedoch mit dem Aussterben der Perm-Trias vor 251  Millionen Jahren , das dem Auslöschen des gesamten komplexen Lebens sehr nahe kam. Das Aussterben war anscheinend ziemlich plötzlich, zumindest bei Wirbeltieren. Während der langsamen Erholung von dieser Katastrophe wurde eine zuvor unbekannte Gruppe, Archosaurier , zu den am häufigsten vorkommenden und vielfältigsten Landwirbeltieren. Eine Archosauriergruppe, die Dinosaurier , waren die dominierenden Landwirbeltiere für den Rest des Mesozoikums , und Vögel entwickelten sich aus einer Gruppe von Dinosauriern. Während dieser Zeit überlebten die Vorfahren der Säugetiere nur als kleine, hauptsächlich nachtaktive Insektenfresser , was die Entwicklung von Säugetiermerkmalen wie Endothermie und Haar beschleunigt haben könnte . Nachdem das Kreide-Paläogen-Aussterben vor 66  Millionen Jahren alle Dinosaurier außer den Vögeln getötet hatte, nahmen Säugetiere rasch an Größe und Vielfalt zu, und einige flogen in die Luft und ins Meer.

Fossil Daten zeigen , dass blühende Pflanzen erschienen und schnell in der frühen diversifizierte Kreide zwischen 130  Millionen Jahren und 90  Millionen Jahren . Es wird angenommen, dass ihr rascher Aufstieg zur Dominanz terrestrischer Ökosysteme durch die Koevolution mit bestäubenden Insekten vorangetrieben wurde. Soziale Insekten traten ungefähr zur gleichen Zeit auf und machen, obwohl sie nur kleine Teile des "Stammbaums" der Insekten ausmachen, heute über 50% der Gesamtmasse aller Insekten aus.

Der Mensch entwickelte sich aus einer Linie aufrecht stehender Affen, deren früheste Fossilien vor über 6  Millionen Jahren stammen . Obwohl frühe Mitglieder dieser Linie ein Gehirn mit Schimpansengröße hatten , das etwa 25% so groß war wie das des modernen Menschen, gibt es Anzeichen für eine stetige Zunahme der Gehirngröße nach etwa 3  Millionen Jahren . Es ist eine lang andauernde Debatte darüber , ob moderne Menschen sind Nachkommen einer einzigen kleinen Population in Afrika , die dann in der ganzen Welt gewandert weniger als 200.000 Jahren und ersetzt vorherige hominine Spezies oder entstanden weltweit zugleich als Folge der Kreuzung .

Massensterben

Extinktionsintensität.svgCambrian Ordovician Silurian Devonian Carboniferous Permian Triassic Jurassic Cretaceous Paleogene Neogene
Intensität des Aussterbens der Meere während des Phanerozoikums
%.
Vor Millionen von Jahren
Extinktionsintensität.svgCambrian Ordovician Silurian Devonian Carboniferous Permian Triassic Jurassic Cretaceous Paleogene Neogene
Offensichtliche Extinktionsintensität, dh der Anteil der Gattungen , die zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgestorben sind, wie aus dem Fossilienbestand rekonstruiert (Grafik, die die jüngste Epoche des Holozän-Extinktionsereignisses nicht einschließen soll )

Das Leben auf der Erde ist mindestens seit 542  Millionen Jahren gelegentlich vom Aussterben bedroht . Trotz ihrer katastrophalen Auswirkungen haben Massensterben manchmal die Entwicklung des Lebens auf der Erde beschleunigt . Wenn die Dominanz einer ökologischen Nische von einer Gruppe von Organismen zu einer anderen übergeht, liegt dies selten daran, dass die neue dominante Gruppe die alte übertrifft, sondern in der Regel daran, dass ein Aussterben eine neue Gruppe die alte überleben und in ihre Nische ziehen kann.

Der Fossilienbestand scheint zu zeigen, dass sich die Extinktionsrate verlangsamt, wobei sowohl die Lücken zwischen dem Massensterben länger werden als auch die durchschnittlichen und Hintergrund-Extinktionsraten abnehmen. Es ist jedoch nicht sicher, ob sich die tatsächliche Aussterberate geändert hat, da diese beiden Beobachtungen auf verschiedene Weise erklärt werden könnten:

  • Die Ozeane sind in den letzten 500 Millionen Jahren möglicherweise gastfreundlicher und weniger anfällig für Massensterben geworden: Gelöster Sauerstoff verbreitete sich und drang in größere Tiefen ein; Die Entwicklung des Lebens an Land verringerte den Nährstoffabfluss und damit das Risiko von Eutrophierung und anoxischen Ereignissen . Die marinen Ökosysteme wurden diversifizierter, so dass die Nahrungsketten weniger wahrscheinlich gestört wurden.
  • Ziemlich vollständige Fossilien sind sehr selten: Die meisten ausgestorbenen Organismen werden nur durch Teilfossilien dargestellt, und vollständige Fossilien sind in den ältesten Gesteinen am seltensten. So haben Paläontologen fälschlicherweise Teile desselben Organismus verschiedenen Gattungen zugeordnet , die oft nur für diese Funde definiert wurden - die Geschichte von Anomalocaris ist ein Beispiel dafür. Das Risiko dieses Fehlers ist bei älteren Fossilien höher, da diese häufig nicht mit Teilen eines lebenden Organismus übereinstimmen. Viele "überflüssige" Gattungen werden durch Fragmente dargestellt, die nicht wiedergefunden werden, und diese "überflüssigen" Gattungen werden als sehr schnell ausgestorben interpretiert.
"Gut definierte" Gattungen
Trendlinie
"Big Five" Massensterben
Andere Massensterben
Vor Millionen Jahren
Tausende von Gattungen
Phanerozoische Biodiversität, wie aus dem Fossilienbestand hervorgeht

Biodiversität im Fossilienbestand

"die Anzahl der verschiedenen Gattungen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt leben, dh diejenigen, deren erstes Vorkommen vor und deren letztes Vorkommen nach diesem Zeitpunkt liegt"

zeigt einen anderen Trend: einen relativ schnellen Anstieg von 542 auf 400 Millionen Jahre , einen leichten Rückgang von 400 auf 200 Millionen Jahre , bei dem das verheerende Aussterben der Perm-Trias ein wichtiger Faktor ist, und einen schnellen Anstieg von 200  Millionen Jahren vor bis heute.

Geschichte

Diese Abbildung eines indischen Elefantenkiefers und eines Mammutkiefers (oben) stammt aus Cuviers Papier von 1796 über lebende und fossile Elefanten.

Obwohl sich die Paläontologie um 1800 etablierte, hatten frühere Denker Aspekte des Fossilienbestandes bemerkt . Der antike griechische Philosoph Xenophanes (570–480 v. Chr.) Schlussfolgerte aus fossilen Muscheln, dass einige Landstriche einst unter Wasser standen. Im Mittelalter diskutierte der persische Naturforscher Ibn Sina , in Europa als Avicenna bekannt, über Fossilien und schlug eine Theorie der Versteinerung von Flüssigkeiten vor, die Albert von Sachsen im 14. Jahrhundert ausarbeitete. Der chinesische Naturforscher Shen Kuo (1031–1095) schlug eine Theorie des Klimawandels vor, die auf dem Vorhandensein von versteinertem Bambus in Regionen basiert , die zu seiner Zeit für Bambus zu trocken waren.

Im frühneuzeitlichen Europa war die systematische Untersuchung von Fossilien ein wesentlicher Bestandteil der Veränderungen in der Naturphilosophie , die im Zeitalter der Vernunft stattfanden . In der italienischen Renaissance leistete Leonardo Da Vinci verschiedene bedeutende Beiträge auf diesem Gebiet und zeigte zahlreiche Fossilien. Leonardos Beiträge spielen eine zentrale Rolle in der Geschichte der Paläontologie, da er eine Kontinuitätslinie zwischen den beiden Hauptzweigen der Paläontologie herstellte - Ichnologie und Körperfossilienpaläontologie. Er identifizierte Folgendes:

  1. Die biogene Natur von Ichnofossilien, dh Ichnofossilien, waren Strukturen, die von lebenden Organismen hinterlassen wurden;
  2. Die Nützlichkeit von Ichnofossilien als paläoökologische Werkzeuge - bestimmte Ichnofossilien zeigen den marinen Ursprung von Gesteinsschichten;
  3. Die Bedeutung des neoichnologischen Ansatzes - neuere Spuren sind ein Schlüssel zum Verständnis von Ichnofossilien;
  4. Die Unabhängigkeit und der ergänzende Nachweis von Ichnofossilien und Körperfossilien - Ichnofossilien unterscheiden sich von Körperfossilien, können jedoch in Körperfossilien integriert werden, um paläontologische Informationen bereitzustellen

Ende des 18. Jahrhunderts etablierte Georges Cuviers Arbeit die vergleichende Anatomie als wissenschaftliche Disziplin und zeigte durch den Nachweis, dass einige fossile Tiere keinen lebenden ähnelten, dass Tiere aussterben könnten , was zur Entstehung der Paläontologie führte. Das wachsende Wissen über den Fossilienbestand spielte auch eine zunehmende Rolle bei der Entwicklung der Geologie , insbesondere der Stratigraphie .

Erste Erwähnung des Wortes Paläontologie , wie es im Januar 1822 von Henri Marie Ducrotay de Blainville in seinem Journal de physique geprägt wurde .

In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurden geologische und paläontologische Aktivitäten mit dem Wachstum geologischer Gesellschaften und Museen sowie einer zunehmenden Anzahl professioneller Geologen und Fossilienspezialisten zunehmend gut organisiert. Das Interesse stieg aus nicht rein wissenschaftlichen Gründen, da Geologie und Paläontologie den Industriellen halfen, natürliche Ressourcen wie Kohle zu finden und zu nutzen . Dies trug zu einem raschen Wissenszuwachs über die Geschichte des Lebens auf der Erde bei und zu Fortschritten bei der Definition der geologischen Zeitskala , die weitgehend auf fossilen Beweisen beruhte. Im Jahr 1822 prägte Henri Marie Ducrotay de Blainville , Herausgeber des Journal de Physique , das Wort "Paläontologie", um sich auf die Untersuchung antiker lebender Organismen durch Fossilien zu beziehen. Als sich das Wissen über die Geschichte des Lebens weiter verbesserte, wurde immer offensichtlicher, dass die Entwicklung des Lebens eine Art sukzessive Ordnung hatte. Dies ermutigte frühe Evolutionstheorien zur Transmutation von Arten . Nach Charles Darwin veröffentlicht Entstehung der Arten im Jahr 1859 verlagerte sich ein Großteil der Fokus der Paläontologie zu verstehen evolutionären Wege, einschließlich der menschlichen Evolution und Evolutionstheorie.

Haikouichthys , vor etwa 518  Millionen Jahren in China, ist möglicherweise der früheste bekannte Fisch.

In der letzten Hälfte des 19. Jahrhunderts nahm die paläontologische Aktivität, insbesondere in Nordamerika, enorm zu . Der Trend setzte sich im 20. Jahrhundert fort und zusätzliche Regionen der Erde wurden für eine systematische Fossiliensammlung geöffnet. Fossilien, die gegen Ende des 20. Jahrhunderts in China gefunden wurden, waren besonders wichtig, da sie neue Informationen über die früheste Entwicklung von Tieren , frühen Fischen , Dinosauriern und die Entwicklung von Vögeln lieferten . In den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts gab es ein erneutes Interesse an Massensterben und ihrer Rolle für die Entwicklung des Lebens auf der Erde. Es gab auch ein erneutes Interesse an der kambrischen Explosion , bei der offenbar die Körperpläne der meisten Tierphyla entwickelt wurden . Die Entdeckung von Fossilien der Ediacaran-Biota und Entwicklungen in der Paläobiologie erweiterten das Wissen über die Lebensgeschichte weit vor dem Kambrium.

Die zunehmende Sensibilisierung von Gregor Mendel ‚s Pionierarbeit in Genetik führte zunächst zur Entwicklung der Populationsgenetik und dann in der Mitte des 20. Jahrhunderts bis in die Synthetische Evolutionstheorie , die erklärt Entwicklung als Ergebnis von Ereignissen wie Mutationen und horizontalen Gentransfers , die bieten genetische Variation , wobei genetische Drift und natürliche Selektion Veränderungen in dieser Variation im Laufe der Zeit bewirken. In den nächsten Jahren wurden die Rolle und Funktionsweise der DNA bei der genetischen Vererbung entdeckt, was zu dem führte, was heute als "zentrales Dogma" der Molekularbiologie bekannt ist . In den 1960er Jahren begann die molekulare Phylogenetik , die Untersuchung von evolutionären "Stammbäumen" mit aus der Biochemie abgeleiteten Techniken , Wirkung zu entfalten, insbesondere als vermutet wurde, dass die menschliche Abstammungslinie in jüngerer Zeit von Affen abgewichen war, als damals allgemein angenommen wurde. Obwohl in dieser frühen Studie Proteine von Affen und Menschen verglichen wurden , basiert die meiste molekulare Phylogenetikforschung nun auf Vergleichen von RNA und DNA .

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